JPH10279319A

JPH10279319A - 合成石英ガラスの製造方法および装置

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Publication number: JPH10279319A
Application number: JP9083600A
Authority: JP
Inventors: Masashi Fujiwara; 誠志藤原; Hiroki Jinbo; 宏樹神保
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-04-02
Filing date: 1997-04-02
Publication date: 1998-10-20
Anticipated expiration: 2017-04-02
Also published as: JP3897188B2

Abstract

(57)【要約】【課題】合成石英ガラスの製造においてインゴット下
部でよく見られる短波長光（例えば、１９３ｎｍ）での
初期透過率の低下を抑え、インゴット全体において高純
度となり、製造効率の高い石英ガラスの合成方法および
装置を得る。【解決手段】Ｓｉ化合物ガスと支燃性ガスと可燃性ガ
スを、耐熱性基板を用いたターゲットに向けて燃焼させ
ながら噴出し、このターゲット３上に石英ガラス粉を堆
積させると同時にガラス化させ、インゴット１０を形成
する方法において、耐熱性基板を用いたターゲット３の
上に石英ガラス塊１１を設置し、この石英ガラス塊１１
上にインゴット１０を形成させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は石英ガラスの製造方法お
よび装置に関するものであり、特にエキシマレーザ光の
ような紫外線全般に対する光学部材として用いるのに適
した合成石英ガラスの製造方法および装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、シリコン等のウエハ上に集積回路
の微細パターンを露光・転写する光リソグラフィー技術
においては、ステッパと呼ばれる露光装置が用いられて
いる。このステッパの光源は、近年のＬＳＩの高集積化
にともなってｉ線（３６５ｎｍ）からＫｒＦエキシマレ
ーザ（２４８ｎｍ）、さらにはＡｒＦエキシマレーザ
（１９３ｎｍ）へと短波長化が進められている。すなわ
ち、このような超ＬＳＩの製造用ステッパの光源として
は紫外線のような短波長の光を発するものが用いられる
ようになってきている。

【０００３】従来のステッパは一般に、ｉ線より長波長
の光を発する光源を用いており、このようなステッパに
おける照明系あるいは投影レンズ等に用いられる光学ガ
ラスは、ｉ線よりも短い波長領域では光透過率が低下す
るという問題がある。このため、このような短波長の光
（紫外線全般）を用いるステッパにおいては、従来の光
学ガラスにかえて、短波長の光の透過率が低下しにくい
合成石英ガラスや、螢石等のフッ化物単結晶を用いるこ
とが提案されている。

【０００４】このように、合成石英ガラスは紫外線を用
いたリソグラフィー技術（紫外線を光源とするステッパ
等）用の光学素子として用いられるようになってきてい
る。しかしながら、ステッパ装置は集積回路パターンを
大きな面積で且つ高解像度で露光する必要があり、その
照明系あるいは投影レンズ等に用いられる光学ガラスに
は、紫外域の光に対する高透過率性のみならず屈折率の
高均質性が要求されている。紫外域の光に対する透過性
は石英ガラスに含まれる不純物濃度が低いほど高くなる
傾向があり、紫外域の光に対して高い透過率を有する石
英ガラスを得るには不純物濃度の低い石英ガラスを製造
する必要がある。

【０００５】そこで、石英ガラスの原料となるケイ素化
合物（ケイ素化合物を送り出すためのキャリアガスが同
時に用いられる）と加熱・反応のための燃焼ガス（例え
ば酸素ガスと水素ガス）とをバーナから流出させ、火炎
内で石英ガラスを堆積させる火炎加水分解による合成が
一般的に行われている（例えば、特開昭４８−８６９１
８号参照）。このような火炎加水分解法による合成石英
ガラスの製造においては、通常、炉内に突き出たバーナ
と相対した位置にＳｉＣ等の耐熱性基板からなるターゲ
ットを置き、そのターゲットに向かって原料である四塩
化ケイ素と酸素及び水素ガスを吹き付けて二酸化ケイ素
から成る微粒子を堆積させ、同時にその熱により熔融・
ガラス化することにより石英ガラスのインゴットを得て
いる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このようにして不純物
濃度が低く、紫外域の光の透過率が高い合成石英ガラス
が製造されるのであるが、このようにして合成された石
英ガラスでも、インゴット下部、すなわちターゲットに
近い部分になるに従い、短波長光（例えば、１９３ｎｍ
の真空紫外線）での初期透過率（合成したインゴットか
ら切り出したサンプルを研磨した直後の透過率）が悪く
なるという問題があった

【０００７】そこで、本発明においては、合成石英ガラ
スの製造においてインゴット下部でよく見られる短波長
光（例えば、１９３ｎｍ）での初期透過率の低下を抑え
ることができ、インゴット全体において高純度となり、
製造効率の高い石英ガラスの合成方法および装置を提供
することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、紫外線、
特に１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザのような真空紫
外線で用いる場合に問題になる、初期透過率が悪くなる
原因が何によって主に引き起こされるかを鋭意研究した
結果、石英ガラス部材中に含有されるＮａ濃度に依存し
ていることを見い出した。同時に、このＮａがどこから
拡散しているかについても鋭意研究した結果、耐熱性基
板を支持する耐火物と耐熱性基板とを接着するために用
いている接着剤，これを扱ったときに人体から拡散して
基板等に付着したものの中に含有される微量のＮａが、
酸水素火炎で熱せられることにより、耐熱性基板を透過
してこの基板上に積み重なった石英ガラスインゴット中
に拡散し、それによりインゴットの下部ほどＮａ含有濃
度が大きくなり、真空紫外線での初期透過率が悪くなる
ということを見出した。

【０００９】このような発見に基いて、本発明の製造方
法では、Ｓｉ化合物ガスと支燃性ガスと可燃性ガスを、
耐熱性基板を用いたターゲットに向けて燃焼させながら
噴出し、このターゲット上に石英ガラス粉を堆積させる
と同時にガラス化させ、インゴットを形成する方法にお
いて、耐熱性基板を用いたターゲットの上に石英ガラス
塊を設置し、この石英ガラス塊上に前記インゴットを形
成させる。

【００１０】このような製造方法の場合には、合成石英
ガラスはターゲットの上に設置された石英ガラス塊の上
に堆積されてインゴットが形成されるため、耐火物とタ
ーゲット（耐熱性基板）とを結合させる接着剤等から発
生するＮａの侵入が、ターゲットの上に置かれた石英ガ
ラス塊により阻止され、インゴット下部においてもＮａ
濃度が低くなり、紫外線域全般に対して透過率の高い合
成石英ガラスを製造することができる。

【００１１】なお、ターゲット面は一般的に円形に形成
されるが、このとき、円形ターゲット面上に設置する石
英ガラス塊を、ターゲット面と同径に形成するのが好ま
しい。さらにこの場合、この石英ガラス塊を、円盤状の
平行平板から形成するのが好ましい。ターゲット面上に
円筒形状に堆積形成されて合成石英ガラスのインゴット
が形成されるため、ターゲット面上に設置される石英ガ
ラス塊を円形にし且つ円盤状にすれば、石英ガラス塊の
上にそのままインゴットを形成させることができ、効率
のよい製造を行うことが可能である。

【００１２】さらに、円形ターゲット面の上に設置する
石英ガラス塊を、ターゲット面の中央において最も高く
なる凸曲面状、さらには、ターゲット面の中央を通る垂
直軸を中心とする凸球面状に形成するのが好ましい。平
面状のターゲット面に合成石英ガラスのインゴットを形
成すると、インゴットは中央において最も高くなる凸曲
面状もしくは凸球面状に堆積形成される。このとき、凸
球面状になるまでのインゴットは生成が不安定であり歪
や屈折率が不均質で大きな値となり、凸球面状に堆積形
成された後、この上に均質なインゴットが形成される。
このため、ターゲット面上に置かれる石英ガラス塊を初
めからこのような凸曲面もしくは凸球面状に形成してお
けば、この上に堆積形成される合成石英ガラスインゴッ
トはほぼ最初から均質なものが得られる。

【００１３】なお、ターゲット上に設置する石英ガラス
塊のＮａ不純物濃度が５０ｐｐｂ以下であることが好ま
しく、また、石英ガラス塊の厚さが１５ｍｍ以上である
ことが好ましい。このような条件を満たす石英ガラス塊
を設置して合成石英ガラスを製造すると、インゴット下
部においてもＮａ濃度が低くなり、紫外線透過率が高い
合成石英ガラスを効率よく製造することができる。具体
的には、合成された石英ガラスインゴット内に含有され
るＮａ不純物濃度が５ｐｐｂ以下で、かつ波長１９３ｎ
ｍにおける内部透過率が９９．９％以上となる合成石英
ガラスを得ることができた。

【００１４】本発明に係る合成石英ガラスの製造装置
は、耐熱性基板を用いて形成され、耐熱合成炉内に配設
されるターゲットと、このターゲットに向かってＳｉ化
合物、支燃性ガスおよび可燃性ガスを噴出するガス噴出
部とを有し、ガス噴出部からＳｉ化合物、支燃性ガスお
よび可燃性ガスを燃焼させながらターゲットに向かって
噴出し、ターゲット上に石英ガラス粉を堆積すると同時
にガラス化させてインゴットを形成するように構成さ
れ、さらに、ターゲット上に石英ガラス塊を設置し、こ
の石英ガラス塊上にインゴットを形成させる。

【００１５】なお、耐熱性基板からなるターゲットの上
に石英ガラス塊を設置する代わりに、ターゲットそのも
のを石英ガラスから構成しても良い。このようにして
も、ターゲット上に形成されるインゴットのＮａ濃度を
低く抑えることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明は、上述のように、例えば
１９３ｎｍのような短波長の真空紫外光で用いるのに最
適な石英ガラスを製造する方法および装置であり、この
ため、製造される合成石英ガラスのインゴット全体にわ
たり（特に、インゴット下部において）、石英ガラス中
に含有されるＮａ不純物が非常に小さくできることを特
徴とする製造方法および装置である。なお、石英ガラス
の初期透過率，特に１９３ｎｍでの初期透過率にＮａ不
純物濃度がどのような影響を及ぼすかという点について
は未だ明確にはわかっていないが、ガラス内部に溶け込
んだＮａが石英ガラスの基本構造等を切断するためと考
えられる。

【００１７】まず、本発明に係る合成石英ガラスの製造
装置構成を図１を参照して説明する。この図に示すよう
に、耐火物からなる合成炉１の上部にバーナ２を有して
装置が構成され、このバーナ２と上下に対向して耐熱性
基板からなるターゲット３が合成炉１内に上下移動可能
に配設されている。ターゲット３は耐火物からなる支持
部材４の上端に接着して取り付けられている。バーナ２
の中心部からは、タンク１５内の四塩化ケイ素とキャリ
アガス（酸素ガス）との混合物が吹き出され、これに酸
素ガスおよび水素ガスが混合されて燃焼され、この火炎
がターゲット３に噴出されてターゲット３の上に合成石
英ガラスのインゴット１０が形成される。なお、四塩化
ケイ素とキャリアガスの流量はマスフローコントローラ
１６，１７によりそれぞれ制御される。なお、本発明で
はターゲット３の上に合成石英ガラス板１１を載置し、
この合成石英ガラス板１１の上にインゴット１０を形成
させる。

【００１８】本発明の石英ガラスの製造方法および装置
により合成石英ガラスインゴットの製造を行うときに
は、ターゲット３の上に置かれた合成石英ガラス板１１
によりインゴット１０内にＮａが混入することが阻止さ
れる。このようにして製造されたインゴット１０におい
ては、初期の光学性能に特に悪影響を及ぼすＮａが含有
されていないため、紫外線リソグラフィー用光学素子と
しての使用に適している。本発明における具体的な実施
例を以下に示すが、この例において、Ｎａ濃度は放射化
分析にて測定した。

【００１９】

【実施例１】高純度石英ガラスインゴットは、石英ガラ
ス製バーナ２にて酸素ガス及び水素ガスをそれぞれ２０
０ｓｌｍ(standard litter per minutes)，５００ｓｌ
ｍの流量で流し、中心部から原料である四塩化ケイ素３
０ｇ／ｍｉｎとキャリアガスである酸素ガスを２ｓｌｍ
流して酸水素火炎加水分解法により合成を行った。合成
の際、ターゲット３の上に円盤状の平行平板（図３
（ａ）参照）からなる不透明石英ガラス板１１を載置
し、このガラス板１１の上にインゴット１０を形成し
た。このとき、ターゲット３を一定周期で回転及び揺動
させ、さらに降下を同時に行うことによりインゴットの
上部の位置（バーナ２との距離）を一定に保った。この
ようにして複数個のインゴットを合成した。

【００２０】各インゴットは、図２のサンプルＮｏ．１
〜５に示すように、ターゲット３の上に載置された不透
明石英ガラス板の厚さを異ならせて合成された。これら
各インゴット下部から、それぞれテストピースを切り出
し、研磨をすることにより測定サンプルとした。図２の
サンプルＮｏ．１〜５にこの測定の結果を示す。これら
の結果から分かるように、ターゲット３上に設置する石
英ガラス板１１の含有Ｎａ濃度及び厚さをそれぞれ５０
ｐｐｂ以下，１５ｍｍ以上に設定することにより所望の
特性（インゴット内のＮａ濃度が低い特性）を持つ石英
ガラスのインゴットを得ることができた（サンプルＮ
ｏ．１〜２）。

【００２１】

【実施例２】高純度石英ガラスインゴットは、石英ガラ
ス製バーナにて酸素ガス及び水素ガスをそれぞれ２００
ｓｌｍ，５００ｓｌｍの流量で流し、中心部から原料で
ある四塩化ケイ素３０ｇ／ｍｉｎとキャリアガスである
酸素ガスを２ｓｌｍ流して酸水素火炎加水分解法により
合成を行った。合成の際、ターゲット３の上に上方に凸
となる球面状（図３（ｂ）参照）の不透明石英ガラス塊
１１’を載置し、このガラス塊１１’の上にインゴット
１０を形成した。このとき、ガラスを積層させる不透明
石英ガラス塊が置かれたターゲット３を一定周期で回転
及び揺動させ、さらに降下を同時に行うことによりイン
ゴットの上部の位置（バーナ２との距離）を一定に保っ
た。このようにして複数個のインゴットを合成した（図
２のサンプルＮｏ．６〜１０）。

【００２２】このインゴット下部から、それぞれテスト
ピースを切り出し、研磨をすることにより測定サンプル
とした。図２のサンプルＮｏ．６〜１０にこの測定の結
果を示す。これらの結果から分かるように、ターゲット
上に設置する石英ガラス塊の含有Ｎａ濃度及び厚さをそ
れぞれ５０ｐｐｂ以下，１５ｍｍ以上に設定することに
より所望の特性を持つ石英ガラスのインゴットを得るこ
とができた（サンプルＮｏ．６〜７）。

【００２３】なお、上記実施例１では、図３（ａ）に示
すような円盤状の合成石英ガラス板１１をターゲット３
の上に載置してインゴット形成を行い、実施例２では、
図３（ｂ）に示すような凸球面状の合成石英ガラス塊１
１’をターゲット３の上に載置してインゴット形成を行
ったが、その相違について簡単に説明する。

【００２４】まず、図３（ａ）に示すような円盤状の合
成石英ガラス板１１をターゲット３の上に載置してイン
ゴット形成を行う場合には（図４参照）、合成開始にと
もない、まず図４（ｂ）に示すように、ガラス板１１の
上に半球状のいわゆるヘッドと称されるインゴット１０
ａが形成される。このヘッド部１０ａの形成過程は不安
定であり、この部分の歪みや屈折率の均質性も不安定で
あり、このヘッド部１０ａはステッパ等のような精密な
光学機器用としては使用できない。こののち、図４
（ｃ）に示すように、均質なインゴット１０ｂが堆積形
成され、この部分が使用可能である。但し、光学レンズ
等に用いられるのは、図において破線で示す二つの水平
面で囲まれた矢印範囲Ａ内の部分であり、その他はステ
ッパ用光学部材としては用いることが難しい。

【００２５】一方、図３（ｂ）に示すような凸球面状の
合成石英ガラス塊１１’をターゲット３の上に載置して
インゴット形成を行う場合には（図５参照）、この合成
石英ガラス塊１１’がいわゆるヘッド部となり、このガ
ラス塊１１’の上に直接均質なインゴット１０が形成さ
れる。但し、堆積形成の最初は、温度の低いガラス塊１
１’の上に高温のインゴットが堆積形成されるため、ガ
ラス塊１１’に直接接する部分およびその近傍において
は屈折率がパルス状に変動する、いわゆる脈理が生じる
ため、この部分は光学材料としては用いることができな
い。しかしながら、この脈理部を除いても、実際に使用
可能な矢印Ａで示す範囲に対し、無駄となる合成インゴ
ット量は、図４の場合に比べて小さく、図５の場合の方
が製造効率が良い。

【００２６】なお、以上の説明においては、ターゲット
上に合成石英ガラス塊（もしくは板）を載置している
が、ターゲットそのものを合成石英ガラスから構成して
も良い。すなわち、図４（ａ）および図５（ａ）におけ
るターゲット３と合成石英ガラス塊１１，１１’とを一
体にして合成石英ガラスから構成しても良い。

【００２７】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、ターゲ
ットの上に設置された石英ガラス塊の上に堆積されて合
成石英ガラスのインゴットが形成されるため、耐火物と
ターゲット（耐熱性基板）とを結合させる接着剤等から
発生するＮａの侵入が、ターゲットの上に置かれた石英
ガラス塊により阻止され、インゴット下部においてもＮ
ａ濃度が低くなり、紫外線域全般に対して透過率の高い
合成石英ガラスを製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る合成石英ガラス製造装置の構成を
示す概略図である。

【図２】複数種のインゴットサンプルとその特性を示す
表図である。

【図３】ターゲット上に設置した石英ガラス塊の形状を
示す斜視図である。

【図４】ターゲット上に円盤状合成石英ガラス板を載置
してインゴットを形成するときのインゴット成長状況を
示す正面図である。

【図５】ターゲット上に凸球面状合成石英ガラス塊を載
置してインゴットを形成するときのインゴット成長状況
を示す正面図である。

【符号の説明】

１合成炉２バーナ３ターゲット１０インゴット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｓｉ化合物ガスと支燃性ガスと可燃性ガ
スとを噴出し、耐熱性基板を用いたターゲット上に石英
ガラス粉を堆積すると同時にガラス化させ、インゴット
を形成する合成石英ガラスの製造方法において、前記耐熱性基板を用いたターゲットの上に石英ガラス塊
を設置し、この石英ガラス塊上に前記インゴットを形成
することを特徴とする合成石英ガラスの製造方法。
【請求項２】前記ターゲット面が円形であり、前記タ
ーゲットの上に設置する前記石英ガラス塊を、前記ター
ゲット面と同径に形成したことを特徴とする請求項１に
記載の合成石英ガラスの製造方法。
【請求項３】前記ターゲット面が円形であり、前記タ
ーゲットの上に設置する前記石英ガラス塊を、円盤状の
平行平板から形成したことを特徴とする請求項１もしく
は２に記載の合成石英ガラスの製造方法。
【請求項４】前記ターゲット面が円形であり、前記タ
ーゲットの上に設置する前記石英ガラス塊を、前記ター
ゲット面の中央において最も高くなる凸曲面状に形成し
たことを特徴とする請求項１もしくは２に記載の合成石
英ガラスの製造方法。
【請求項５】前記凸曲面が、前記ターゲット面の中央
を通る垂直軸を中心とする球面からなることを特徴とす
る請求項４に記載の合成石英ガラスの製造方法。
【請求項６】前記ターゲット上に設置する前記石英ガ
ラス塊のＮａ不純物濃度が５０ｐｐｂ以下であることを
特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の合成石英ガ
ラスの製造方法。
【請求項７】前記ターゲット上に設置する前記石英ガ
ラス塊の厚さが１５ｍｍ以上であることを特徴とする請
求項１〜６のいずれかに記載の合成石英ガラスの製造方
法。
【請求項８】Ｓｉ化合物ガスと支燃性ガスと可燃性ガ
スとを噴出し、ターゲット上に石英ガラス粉を堆積する
と同時にガラス化させ、インゴットを形成する合成石英
ガラスの製造方法において、前記ターゲットを石英ガラスから形成したことを特徴と
する合成石英ガラスの製造方法。
【請求項９】耐熱合成炉と、耐熱性基板を用いて形成
され、前記耐熱合成炉内に配設されるターゲットと、こ
のターゲットに向かってＳｉ化合物、支燃性ガスおよび
可燃性ガスを噴出するガス噴出部とを有し、前記ガス噴
出部から前記Ｓｉ化合物、支燃性ガスおよび可燃性ガス
を燃焼させながら前記ターゲットに向かって噴出し、前
記ターゲット上に石英ガラス粉を堆積すると同時にガラ
ス化させてインゴットを形成する合成石英ガラスの製造
装置において、前記ターゲット上に石英ガラス塊を設置し、この石英ガ
ラス塊上に前記インゴットを形成することを特徴とする
合成石英ガラスの製造装置。
【請求項１０】耐熱合成炉と、耐熱性基板を用いて形
成され、前記耐熱合成炉内に配設されるターゲットと、
このターゲットに向かってＳｉ化合物、支燃性ガスおよ
び可燃性ガスを噴出するガス噴出部とを有し、前記ガス
噴出部から前記Ｓｉ化合物、支燃性ガスおよび可燃性ガ
スを燃焼させながら前記ターゲットに向かって噴出し、
前記ターゲット上に石英ガラス粉を堆積すると同時にガ
ラス化させてインゴットを形成する合成石英ガラスの製
造装置において、前記ターゲットを石英ガラスから形成したことを特徴と
する合成石英ガラスの製造装置。